KR100498984B1 - 맴돌이 전류를 최소화한 보호관을 구비한 자장탐침 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맴돌이 전류를 최소화한 보호관을 구비하는 자장탐침에 관한 것으로, 탐침봉의 말단에 형성된 픽업코일을 덮어 플라즈마로부터 탐침을 보호하는 보호관을 구비한 자장탐침에 있어서, 상기 보호관은 측면으로부터 말단면까지 일체로 이루어지고 축방향으로 측면으로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 형성된 하나 이상의 슬롯을 갖는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따라 자장탐침을 고온 상태의 플라즈마로부터 보호함과 동시에 보호관에 발생하는 맴돌이 전류를 감소시킨다.

Description

맴돌이 전류를 최소화한 보호관을 구비한 자장탐침{MAGNETIC PROBE WITH SCREENING TUBE FOR EDDY CURRENT REDUCTION}

본 발명은 맴돌이 전류(eddy current)를 최소화한 보호관(screening tube)을 구비한 자장탐침(magnetic probe)에 관한 것으로, 특히, 자장탐침을 고온 상태의 플라즈마로부터 보호함과 동시에 보호관에 발생하는 맴돌이 전류를 효과적으로 감소시키는 구조를 갖는 보호관을 구비한 자장탐침에 관한 것이다.

무선주파수(RF, radio frequency) 영역의 플라즈마를 이용한 과학기술 및 산업기술 연구에 있어서, 자장탐침은 매우 기초적인 진단 장비로서 널리 이용되고 있으며, 이 경우, 특히 플라즈마가 고온인 경우에는 탐침의 보호가 필수적이다.

그러나, 탐침을 보호하는 소재를 선택함에 있어서, 부도체를 선택하는 경우에는 자장탐침으로 측정하고자 하는 인덕턴스(inductance) 성분 이외에도 커패시턴스(capacitance) 성분까지 측정됨으로 인하여 측정값 해석시에 오차를 발생시킨다는 문제점이 있다.

반면에, 탐침을 보호하는 소재로서 도체를 선택하는 경우에는, 커패시턴스 성분은 거의 제거되나 도체 표면에 발생하는 맴돌이 전류로 인하여 이 또한 측정값에 오차가 발생하게 된다.

따라서, 탐침을 보호함과 동시에 정확한 측정데이타를 유지할 수 있는 보호관의 개발이 필요하게 되었다.

본 발명은 상대적으로 오차 발생 효과가 적은 도체를 보호 소재로 선택하였을 경우에, 도체 보호관의 표면에서 발생되는 맴돌이 전류를 최소화시키는 방법에 관한 것이다.

자장탐침을 이용한 기존의 국내외의 실험에서는 탐침을 보호하는데 있어서 보호 소재를 유리와 같은 부도체를 활용하거나, SUS와 같은 도체를 사용하였을 경우 단순히 도체관의 표면에 얇은 슬롯(slot)을 내어 맴돌이 전류의 발생을 최소화 하려는 시도는 있었으나, 임의의 폐회로를 따라 형성되는 맴돌이 전류를 근본적으로 감소시키기 위한 방법으로는 적절하지 못했다.도 1에는 도체판(10)에 슬롯(12)을 형성함으로써 도체에 자장이 통과할 때 발생하는 맴돌이 전류를 감소시키는 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도체에 자장이 통과하게 되면, 자장의 방향과 직각 방향으로 맴돌이 전류가 발생하게 된다. 즉, 자장은 도체에 임의의 폐회로를 만드는 맴돌이 전류(I_e)를 발생시킨다. 이 경우, 도시된 바와 같이, 도체판(10)에 슬롯(12)을 형성하게 되면 폐회로를 형성하는 맴돌이 전류(I_e)를 차단시킴으로써 맴돌이 전류를 감소시키게 된다.도 2a에는 도체 보호관(20)의 표면에 발생하는 맴돌이 전류를 감소시키기 위하여, 보호관의 측면에 축 방향으로 다수개의 슬롯(22)을 형성한 종래의 방법이 도시되어 있다. 도 2a를 참고하면, 종래의 보호관은 도체 보호관(20)의 측면에 축방향으로 다수개의 슬롯(22)을 형성하고, 그 말단에는 하나의 슬롯(26)이 형성된 원형 디스크 판(25)을 덮어 조립하도록 되어 있다. 이와 같은 구조에서는 보호관의 측면 및 디스크 판에 형성되어 있는 슬롯의 불연속성 때문에, 맴돌이 전류의 폐경로 형성이 불가피하게 발생하게 된다. 또한, 보호관(20)의 말단에 부착되는 덮개를 제작하여 조립하기 위해서는 보호관(20)의 두께를 1mm 이하로는 할 수 없었다. 이와 같이, 종래의 보호관은 슬롯의 불연속성과 두께의 제한성 때문에 맴돌이 전류 형성이 불가피하여 자장 탐침의 주파수 응답을 감소시킨다. 특히, 고주파의 자장 및 무선 주파수를 측정하고자 하는 경우에는 이 효과가 매우 크게 나타난다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 자장탐침을 적절히 보호함과 동시에 도체 보호관에 발생되는 맴돌이 전류를 감소시켜 측정치의 민감도를 향상시킬 수 있는 보호관을 구비한 자장탐침을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 보호관의 측면과 말단면이 하나의 연결된 구조로 형성된 보호관을 구비한 자장탐침을 제공하는데 그 목적이 있다.이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탐침봉의 말단에 형성된 픽업코일을 덮어 플라즈마로부터 탐침을 보호하기 위해 도체로 이루어진 보호관을 구비한 자장탐침에 있어서, 상기 보호관은 측면과 말단면이 일체로 이루어지고 보호관 측면의 소정 위치로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 형성된 하나 이상의 슬롯을 갖는 것을 특징으로 한다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

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도 3은 본 발명에 따른 보호관을 구비한 자장탐침의 일실시예로서, 이동식 자장탐침(100)이 도시되어 있다.도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 이동식 자장탐침(100)은 탐침봉(110)과, 탐침봉 말단 근처에 축방향으로 나란히 놓여진 2개의 픽업코일(B_θ, B_z)(121, 122)과, 탐침봉(110)을 보호하도록 덮여지는 직경 약 10mm의 SUS 304 재질의 보호관(130)을 포함하여 구성된다.

상기 픽업코일(121, 122)은 직경 0.254mm의 에나멜 와이어(enamel wire)로 제조되고, 직경 3.2mm의 세라믹 관(120) 위에 5회 감긴다. 상기 픽업코일이 장착된 탐침봉(110)에는 축방향으로 그 표면으로부터 말단면에 이르기까지 다수개의 슬롯(132)이 형성된 보호관(130)이 덮여진다.도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자장탐침의 보호관(130)에 형성된 슬롯(132)에 의해 맴돌이 전류가 차단되는 것을 설명하기 위한 도면이다.도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보호관(130)은 측면 및 말단면이 일체로 형성된다. 여기에서, 상기 보호관의 축방향으로 측면의 소정 위치로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 다수의 슬롯(132)이 형성된다. 슬롯이 형성된 보호관의 내부에는 자장 측정을 위한 여러 개의 픽업코일이 설치된다. 이 코일의 구조는 상술한 도 3에 상세히 도시되어 있다. 탐침봉에 변화하는 자장이 지날 때, 도 4에 점선으로 표시된 바와 같은 방향으로 맴돌이 전류(I_e)가 보호관의 측면 및 말단면에 여기된다. 이것은 보호관에 슬롯이 없는 경우에 나타나는 일반적인 현상이다. 이러한 맴돌이 전류의 폐경로 형성은 도 4에 도시된 바와 같이, 표면으로부터 말단면까지 연속적으로 형성된 여러 개의 슬롯(132)에 의해 차단된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 슬롯(132)을 형성함으로써, 임의의 폐회로에 발생하는 맴돌이 전류(I_e)의 발생 경로를 차단하는 것이다. 즉, 보호관에 형성된 슬롯은 맴돌이 전류가 발생하는 임의의 폐회로(I_e)를 차단하며, 슬롯 간의 간격은 탐침의 크기보다 작아야 한다.

도 5는 본 발명에 따른 보호관과 종래의 보호관을 좀 더 상세히 비교하기 위하여 도시한 도면이다.도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 보호관(20)은 그 표면에 축방향으로 다수의 슬롯(22)이 형성되고, 보호관 말단에는 상기 보호관과는 별도로 제작된 디스크 판(25)이 씌워져 있다. 상기 디스크 판(25)에는 하나의 슬롯(26)이 형성되어 있다. 이러한 구조에서는 보호관에 형성된 슬롯(22)과 디스크 판에 형성된 슬롯(26) 간의 불연속성으로 인하여 그 연결부위 근처에 맴돌이 전류의 폐경로가 발생하는 것을 피할 수 없다. 또한, 이와 같은 구조에서는 보호관(20)의 말단부에 디스크 판(25)을 조립하여야 하기 때문에 보호관의 두께를 1mm 이하로 제작하는 것이 불가능하였다. 이와 같이, 종래의 보호관은 슬롯의 불연속성과 두께의 제한성 때문에 보호관에 맴돌이 전류가 발생하여 자장탐침의 주파수 응답을 감소시킨다. 특히, 고주파(1 ㎒~10 ㎒)의 자장 및 무선주파수를 측정하고자 하는 경우에는 이 효과가 매우 크게 나타난다. 따라서, 보다 얇은 두께를 갖도록 보호관의 구조적 개선이 필요하였다.

반면에, 본 발명에 따른 보호관(130)은 표면으로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 다수개의 슬롯(132)을 형성시켜 임의의 폐경로 형성 가능성을 많이 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 보호관(130)에서는 보호관이 측면에서부터 말단면까지 하나의 연결된 구조로 되어 있기 때문에 그 두께를 0.3 mm까지 줄일 수 있다는 이점이 있다. 이 때문에 본 발명에 따른 보호관은 종래의 보호관보다 표면저항이 높아 자장변화에 의한 표면에 유도되는 맴돌이 전류효과를 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따른 보호관은 이동식 자장탐침의 보호관으로 사용될 수 있다.자장탐침의 민감도는 1~10㎒의 주파수 영역에서 헬름홀쯔 코일(Helmholtz coil)을 사용하여 측정된다.

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도 6은 자장탐침의 측정시스템을 보여준다. 네트워크 분석기(network analyzer)를 사용하여 탐침의 민감도는 2-포트(2-port) 방식을 사용한 S 파라미터로부터 하기식에 의해 얻을 수 있다.

여기에서 S₂₁, S₂₂, S₁₁는 네트워크 분석기에 의해 측정되는 파라미터이고, I_HC는 헬름홀쯔 코일에 흐르는 전류, k는 상수, Z는 입력 임피던스이다. 특히, 진공 가변 커패시터(VVC, vacuum variable capacitor)가 낮은 자기유도 및 높은 정밀도의 커패시턴스를 갖기 때문에 사용된다.

도 7는 종래에 사용되던 보호관과 본 발명에 따른 보호관의 주파수대 민감도의 비교 실험의 결과 그래프이다.

도 7의 그래프는 동일한 조건과 장소에서 보호관만을 달리하여 반복된 실험치를 평균적으로 나타낸 그래프이며, 사용된 주파수 영역은 2MHz부터 10MHz이다.

그래프에서 직선은 열역학적 이론치를 나타낸다. 열역학적 이론치는 하기식에 의해 계산된다.

상기 수학식 2는 자장탐침용 등가회로를 나타낸다. 상기 수학식 2에서 저항(R_p=0.6~1.1Ω) 및 인덕턴스(L_p=0.28~0.3㎌)의 탐침 측정치가 사용된다. 측정치와 이론치의 불일치는 RF 주파수의 증가에 따라 증가한다. 주파수가 높아질수록 불일치가 커지는 것은 탐침의 신호 유도를 배제하고 민감도를 계산하기 때문이다. 그래프에서 사각형으로 이루어진 선이 보호관 없이 사용된 것으로, 본 발명에 따른 보호관은 보호관이 없는 탐침의 민감도보다 더 작은 불일치를 갖는다. 보호관을 사용하였을 때, 이 선과 차이가 적을수록 좋은 결과를 나타낸다.

또한, 종래에 사용되던 보호관을 적용시킨 원으로 이루어진 선보다 본 발명에 따라 맴돌이 전류를 차단시킨 보호관의 결과인 삼각형으로 이루어진 선이 훨씬 좋은 결과를 보여주고 있음을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 보호관을 가진 탐침의 측정 민감도는 종래의 탐침보다 높다.

본 발명에 따른 보호관을 갖는 탐침의 민감도는 1~10㎒의 주파수에서, 0.05~0.55 V/Gauss을 얻는다.

따라서, 본 발명에 따른 자장탐침은 맴돌이 전류를 최소화시킨 보호관을 사용하여 RF 영역의 측정의 민감도를 개선할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자장탐침은 맴돌이 전류를 최소화시킨 보호관을 사용함으로써, RF 플라즈마 영역의 기술연구에 있어서 발생할 수 있는 탐침의 보호 문제와 전자기적 반작용을 동시에 해결할 수 있는 방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 맴돌이 전류를 감소시켜 자장탐침의 민감도를 향상시키고 보호관의 두께를 줄일 수 있는 효과가 있다. 이와 같이, 맴돌이 전류로부터 안전하게 도체를 사용할 수 있는 방법을 찾는 다른 분야에서도 이러한 방법이 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.

이와 같이 본 발명은 자장탐침의 보호관에 슬롯을 형성하여 맴돌이 전류를 차단하는 방법에 관한 것으로, 본 발명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 것에만 한정되지 않는다.

도 1은 도체판에 슬롯을 형성함으로써 도체에 자장이 통과할 때 발생하는 맴돌이 전류를 감소시키는 개념을 설명하기 위한 도면.

도 2a는 종래의 보호관을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 보호관을 구비한 자장탐침의 일실시예를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자장탐침의 보호관을 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 보호관과 종래의 보호관을 비교하기 위하여 도시한 도면.

도 6은 자장탐침의 측정시스템을 도시한 도면.도 7은 열역학적 이론치, 보호관이 없는 탐침, 종래의 보호관을 구비한 탐침 및 본 발명에 따른 보호관을 구비한 탐침의 민감도 비교실험의 결과를 나타낸 그래프.

Claims (3)

1. 탐침봉의 말단에 형성된 픽업코일을 덮어 플라즈마로부터 탐침을 보호하기 위해 도체로 이루어진 보호관을 구비한 자장탐침에 있어서,

   상기 보호관은 측면과 말단면이 일체로 이루어지고, 보호관 측면의 소정 위치로부터 말단면에 이르기까지 연속적으로 형성되며, 맴돌이 전류의 폐경로를 관통하도록 하나 이상의 슬롯을 갖는 것을 특징으로 하는 자장탐침.
2. 제1항에 있어서, 상기 보호관의 두께는 0.3 mm 내지 1.0 mm인 것을 특징으로 하는 자장탐침.
3. 제1항에 있어서, 상기 보호관에 형성된 하나 이상의 슬롯은 동일 간격으로 축대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자장탐침.